创立电磁场论,重道厚德的科坛楷模一生不懈!

——“电磁学大咖”系列之九
作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2018-02-22

标签:老师们 市砖厂
缺乏数学功底的法拉第,把对电磁场研究停留在力线的描述上,无法上升到定量的理论高度。

“磁力从磁极出发的传播类似像水面的波纹振动或者空气粒子的声振动,也就是说,我打算把振动理论应用于磁现象,就像对声音的那样,而且这也是光现象最可能的解释。类比之下,我认为也可以把振动理论运用于电感应。我想用实验来证明这些观点,然而我的时间要用于履行职责,这可能拖长实验的时间……我把这封信递交皇家学会收藏时,要以一个确定的日期来为自己保留这个发现……现在除了我外,科学家中还没有人持类似的观点。迈·法拉第于2018-02-22。”

公元2018-02-22,一代科学奇才法拉第把写有上面内容的信件封入锦囊,当着几位同事的面,存进英国皇家学院档案棺的保险柜后,如释重负地松了一口气。

法拉第信中所指的“磁极或电荷发出类似波纹水面振动”理论,是他辛苦十年的结果。尽管他认为此理论有实验基础,也是正确的,但苦于自己没进行过系统而专业的数学学习,不能用数学公式来表现电力和磁力的运动情况。为了防止想法被岁月湮没,也为了证实自己最早有此想法的人,所以出此下策。

并非法拉第小气,而是他坚信这个与牛顿经典力学相悖的理论对电磁学发展有极重要的意义。

那牛顿经典力学的理论又是怎么讲的呢?

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法拉第认为,磁极或电荷会发出类似这种波纹水面的振动。(网络图)

挑战权威 巧解难题

话说天才科学家牛顿在经典力学理论中讲道:两个物体传递作用力(如万有引力)时,既不需要媒介,又不需要时间,即超距作用(注一)。后来,物理学家库仑认为静电间的作用也如此。

虽然牛顿本人曾经怀疑超距作用,但是牛顿的追随者们已经自觉或不自觉地把牛顿力学的科学理论演化成绝对真理,他们的思想已经被禁锢,他们听不进反对牛顿的意见。

与其他科学家一样,法拉第开始也认为经典力学两个物体和静电间都是超距作用。但是,当他熟读安培的电磁理论(注二)后,隐隐产生一种疑问,那便是安培对牛顿经典力学的解释是否正确。如果解释不正确,那说明电磁间不一定存在超距作用。他本想深入研究安培提出的电磁理论,但缺乏数学功底的他根本进行不下去。

万有引力,牛顿经典力学基础。(来源于网络)

万有引力,牛顿经典力学的基础。(来源于网络)

“读不懂就不要轻易下结论!”谨慎的法拉第这样告诉自己。

既然无法从理论或逻辑推理中证明电磁间是否进行超距作用,那是否可以用实验来证明呢?为此,他做了许多实验,其中一个是这样的。他在一张纸上撒些铁粉,纸的下边放一个磁棒。当他轻轻抖动纸片时,铁粉就集合成许多线,清楚呈现磁场的力线。

“磁力线?原来磁体周围有场,磁作用的传递是通过场中的磁力线实现的!”法拉第感到惊喜。有此实验结果,用数学公式来表达就是迟早的事儿。法拉第在大量电磁实验的基础上,提出了完全不同的崭新理论:带电体、磁体周围会产生电场或磁场,电作用或磁作用是通过电场或磁场来传递的,而不是超距作用。

磁场示意图。(来源于网络)

磁场磁力线实验模拟图。(来源于网络)

法拉第进一步推断,如果把电磁场源比做水面的小船,那它的力线就像水波。当人们划动双桨时,水波由近及远向远方传播开。磁力的传递就像水波一样,具有速度且需要时间。

“看来,物质之间的相互作用力如万有引力、库仑力、磁力不是超距作用,即时传递的,而是借助‘场’来传播。我这是挑战权威呀。”很显然,这些想法与牛顿经典力学是相悖的。

“应该怎么办呢?”法拉第陷入矛盾中。如果承认经典力学的超距作用,那一切就回到起点,自己数年研究就白费了;如果要证明自己提出的电磁场和电磁场线理论,那就需要精确的数学公式,最好算出电磁场的传播速度。糟糕的是,自己的数学功底差,今生都无法做到。

经过长时间的思考,法拉第决定发挥自己所长,将它用文字表述出来,留给后人。这才有了前文他将信件锁进皇家学院保险柜的故事。

紧张做实验的法拉第。(来源于视觉中国)

专心做实验的法拉第。(来源于视觉中国)

高风亮节 科坛楷模

尽管法拉第没法推导出关于电磁场的数学公式,但他把场、磁力线和电力线等重要概念引入物理学,为当代物理学发展开拓了道路。经过深入研究,法拉第晚年精确地推断说,电磁线由带电体或者是磁铁的其中一极中放射出,射向另一电性的带电体或是磁性异极的物体。此举让抽象的电磁场具象化,对研发诸如发电机、变压器等电力机械装置产生了重大影响。20世纪初,这些装置主宰了工程界与工业界。

为了让自己的研究成果能帮助更多后人,晚年的法拉第还整理出版了《电学实验研究》一书。这部从各个角度探索电磁新现象,寻找电磁新规律的巨著,凝聚着他后半生的心血。它也是法拉第留给后世最宝贵的科学遗产。“法拉第他对电力的贡献就好比伽里略对力学的贡献。”爱因斯坦的评价非常中肯。

法拉第在科学方面的成就得到世人的认可。34岁时,他接替恩师戴维当上了皇家学院的实验室主任,以后继任皇家学会会长。他一生获得各国颁发的奖章、勋章等95次。1991—2001年间,法拉第的照片被印在20元的英镑纸币上。

印有法拉第像的钱币。(网络图)

印有法拉第像的英镑纸币。(网络图)

然而,最难能可贵的是,这位出身铁匠家庭的平民科学家,一直勤勉而淳朴,从不计较名誉、地位,也不看重钱财。他拒绝了许多制造商的高薪聘请,谢绝了维多利亚女王为他准备的爵位,终生在皇家实验室从事实验工作。

重道厚德的法拉第为后世科学家树立了典范,他的崇高品德值得后人学习。

美中不足的是,正像许多新思想、新理论刚刚诞生时不为人们所理解一样,法拉第提出“磁极或电感应发出类似波纹水面的振动”的理论也迟迟不为人们接受。因为缺乏数学功底的他只能对电磁场研究停留在力线的描述上,无法上升到定量的理论高度。后来,一位年轻的物理学家把法拉第的新思想用精确的数学公式表示出来,并将其发展为完整的电磁场理论。这位年轻人还与法拉第是忘年交。他是谁?他又是如何为电磁场定量的?欲知后事,请看下集《物理学第二次革命,居然是这位“神仙”!》

法拉第雕像。(来源于网络)

法拉第雕像。(来源于网络)

【备注】

1、 超距:相隔一定距离的两个物体之间存在着直接、瞬时的相互作用,不需要任何媒质传递,也不需要任何传递时间。

2、 安培理论与牛顿经典力学的结合:安培提出电流元的概念,并认为电流元之间的力的表达式与牛顿的万有引力的表达式类似。1827 年,他在《电动力学理论》一书中指出:“这就是牛顿所走过的道路,也是对物理学做出重大贡献的法兰西知识界近来普遍遵循的途径。 ”

【参考】

1、 论文《创新思维:电磁感应定律的发现》,博客名“创新能力的培养”。

2、 书籍《名人传记之法拉第》。


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